近日，機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室劉英想教授團隊在壓電機械手研究方面取得新進展，開發(fā)出由壓電陶瓷驅(qū)動的新型4指壓電機械手，相關(guān)成果以《面向宏微跨尺度操控的壓電機械手》（Piezo robotic hand for motion manipulation from micro to macro）為題發(fā)表在《自然通訊》（NatureCommunications）上。壓電機械手獨特的宏微運動操控能力有望解決諸多先進技術(shù)領(lǐng)域面臨的跨尺度精細操控難題。

機械手可代替或輔助人手實現(xiàn)靈巧操控，在機器人輔助操控領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，其功能與性能直接影響系統(tǒng)的服務(wù)水平。現(xiàn)有機械手種類繁多，在結(jié)構(gòu)特征、換能原理和傳動方式方面不盡相同，由于換能原理和運動傳遞策略的限制，其在動作精度、電磁兼容性和結(jié)構(gòu)緊湊性等方面存在諸多局限。如何尋找新?lián)Q能原理的驅(qū)動模式，設(shè)計更高效、更精密的傳動機構(gòu)，甚至完全摒棄傳動機構(gòu)，成為研制機械手的新焦點和新挑戰(zhàn)。

該項研究工作開發(fā)出運用壓電陶瓷構(gòu)造的4指機械手。該機械手采用4指陣列均布構(gòu)型，其手指為4分區(qū)環(huán)形壓電陶瓷集成一體化結(jié)構(gòu)，憑借逆壓電效應實現(xiàn)電能至機械能轉(zhuǎn)換，從而將壓電陶瓷的多維微觀變形轉(zhuǎn)換為手指的多維運動。

團隊運用4指協(xié)同操控思想規(guī)劃了10余種典型功能化操控手勢，借助動靜摩擦交替操控方法實現(xiàn)平板型、圓柱型、球型等物體的多維跨尺度操控；詳細研究了壓電機械手的遲滯（《3.95%）、分辨力（15納米）、響應時間（0.5毫秒）、固有頻率（4.1千赫茲）等特性，以及操控平板物體的運動特性；通過實驗驗證了壓電機械手對各類物體的高適應性、多自由度、跨尺度操控能力。一系列應用探索試驗成功展示了壓電機械手在構(gòu)建多自由度操控設(shè)備和集成機械臂末端執(zhí)行器等方面的應用潛力。該項工作以無傳動高剛性功能陶瓷集成一體化構(gòu)型為核心，展示了運用壓電陶瓷微觀變形實現(xiàn)宏微跨尺度運動操控的可行性，相關(guān)多維運動生成方法和功能手勢協(xié)同操控思想為機械手研制提供了新思路。

我校為論文唯一通訊單位。機電學院博士研究生張仕靜、劉英想教授、鄧杰副教授為論文共同第一作者。劉英想教授為論文唯一通訊作者。機電學院博士研究生高祥、李京、王瑋亦、荀銘鑫、馬雪峰、常慶兵，機電學院劉軍考教授、陳維山教授、趙杰教授為論文共同作者。

該研究獲得國家自然科學基金、哈工大醫(yī)工理交叉基金的資助。此外，該4指壓電機械手曾獲第四屆中國研究生機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽特等獎。

壓電機械手的結(jié)構(gòu)、手勢、特性、樣機與應用示意圖

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36243-3

審核編輯 ：李倩